技術領域

本發明屬于碳納米材料技術領域，特別是涉及一種碳納米環及其制備方法。

背景技術

納米環是一種新型納米材料，納米環的新穎結構可作為納米器件中的一種重要結構單元，而納米環獨特而優良的性能，使其在功能材料領域展現出廣闊應用前景。人們已合成多種納米環，例如金屬氧化物納米環、金屬納米環、長鏈有機分子納米環，但是，對于碳納米環，特別是具有與石墨片層卷成的閉合環體類似結構的碳納米環尚未見報道。

J.Liu等(J.Liu，H.Dai，J.H.Hafner，D.T.Colbert，R.E.Smalley，Fullerene′crop?circles′，Nature，1997，385：780)在采用激光法制備單壁碳納米管時合成出了碳納米管環，該碳納米管環是將碳納米管首尾無縫連接形成的環。雖然也有文獻將此結構稱為碳納米環，但與本發明涉及的具有與石墨片層卷成的閉合環體類似結構的碳納米環不同。

X.Sun等(X.Sun，S.Zaric，D.Daranciang，K.Welsher，Y.Lu，X.Li，H.Dai，Optical?properties?of?ultrashort?semiconducting?single-walled?carbon?nanotube?capsules?down?to?sub-10nm，J.Am.Chem.Soc.，2008，130：6551)用濃酸溶液處理剪切單壁碳納米管，然后采用密度梯度超速離心方法根據碳管長度不同進行分離，獲得了長度在10納米以下甚至接近1納米的碳納米管，但其長度仍大于或接近單壁碳納米管的徑向尺寸，即軸向尺寸與徑向尺寸的比值大于等于1，因此只能稱為超短碳管。另外，用濃酸處理剪切碳納米管對碳管結構破壞較大，因此難以獲得邊緣結構有序規整的超短碳納米管。

H.Chun等(H.Chun，M.G.Hahm，Y.Homma，R.Meritz，K.Kuramochi，L.Menon，L.Ci，P.M.Ajayan，Y.J.Jung，Engineering?Low-Aspect?Ratio?Carbon?Nanostructures：Nanocups，Nanorings，and?Nanocontainers，ACS?Nano，2009，3：1274)以具有短納米通道的陽極氧化鋁為模板，通過化學氣相沉積方法制備碳納米杯，然后通過離子濺射減薄去除杯底，獲得了徑向尺寸為80納米、軸向尺寸為幾十納米的碳納米環，但是通常多壁碳管的最大直徑在30納米左右，更大直徑下難以穩定存在；另外，從H.Chun等提供的高分辨電鏡照片看，該碳納米環也不具有石墨片層的結構特征，因此，其所獲得的僅是具有環狀結構的碳膜，與本發明涉及的具有與石墨片層卷成的閉合環體類似結構的碳納米環不同。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種碳納米環，其是一種具有類似由石墨片層卷成的閉合環體的碳環組成的碳納米環。

本發明的目的還在于提供上述碳納米環的制備方法。

為達到上述目的，本發明首先提供了一種碳納米環，其是由單層或多層同軸的碳環組成，且所述碳環具有與石墨片層卷成的閉合環體類似的結構，該碳納米環的軸向尺寸和徑向尺寸均為納米量級，且軸向尺寸小于徑向尺寸。

本發明所提供的碳納米環中的碳環也可以視為一種極短的碳納米管，其碳原子排布與碳納米管中碳原子排布方式基本相同。本發明提供的碳納米環可以是由一層或多層同軸的碳環組成，這里的碳環的結構類似于石墨片卷起而形成的閉合環體。

在本發明中，“軸向尺寸”是指從碳環的一側截面到另一側截面的距離，即碳環的高度，“徑向尺寸”是指最外層碳環的直徑，如圖1所示。

根據本發明的具體技術方案，本發明所提供的碳納米環的軸向尺寸為0.5-1.0納米，徑向尺寸為2-30納米。

根據本發明的具體技術方案，本發明所提供的碳納米環的軸向尺寸與徑向尺寸的比值為0.01-0.5。本發明所提供的碳納米環具有較小的長徑比，是一種典型的環狀結構。

根據本發明的具體技術方案，本發明所提供的碳納米環可以是單層或多層結構，碳環的層數可以為1-25層。

根據本發明的具體技術方案，當碳納米環由多層同軸的碳環組成時，碳環的層與層之間(相鄰的層之間)的距離可以相同，該距離為0.31-0.37納米。